兩級線圈炮模擬引信后坐力方法

詹　超，雷　彬，向紅軍

(1.解放軍軍械工程學院，河北 石家莊　050003;2.總裝備部西安軍代局，陜西 西安　710032)

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兩級線圈炮模擬引信后坐力方法

詹超1,2，雷彬1，向紅軍1

(1.解放軍軍械工程學院，河北 石家莊050003;2.總裝備部西安軍代局，陜西 西安710032)

0引言

引信作為彈藥的控制部分，其安全性和可靠性極其重要[1]。引信膛內安全性的考核一般分為靶場試驗和實驗室試驗。實驗室試驗主要通過模擬引信膛內后坐和離心兩種環(huán)境力對引信的性能進行測試。目前，引信后坐力動態(tài)模擬方法研究主要集中在基于氣體炮的模擬方法[2-3]、用小型專用火箭彈模擬大型火箭彈的方法[4]以及利用離心力模擬后坐力的方法[5-6]。離心力模擬則主要通過對試驗彈施加軸向轉速來實現。近年來，電磁同步感應線圈發(fā)射器(線圈炮)作為一種新的驅動技術發(fā)展迅速[7-10]，已經驗證其滿足引信后坐力模擬試驗的能量要求。采用單級線圈炮模擬引信膛內受力曲線時，由于只有一級，不需要考慮受力的連續(xù)性，但是無法模擬膛內受力時間較長的一類引信。為了克服單級線圈炮模擬引信膛內受力的這一不足，提出采用多級線圈炮發(fā)射裝置模擬膛內時間較長的引信。在一般的多級線圈炮研究中，由于電樞出口速度是最重要的技術指標，對于受力的連續(xù)性沒有要求，為了達到更高的發(fā)射效率，速度曲線一般呈脈沖狀，即出現加速度接近零的時間段[11]。本文針對上述問題，提出了兩級線圈炮模擬引信后坐力方法。

1線圈炮模擬引信后坐力要求

引信的后坐力模擬試驗是指通過模擬引信發(fā)射過程中的膛壓曲線，考察引信在這種受力狀態(tài)下的安全性和解除保險的可靠性[12]。為了使多級電磁炮滿足引信后坐力模擬要求，電磁炮推力曲線與引信在實際發(fā)射時的受力曲線完全相似。通常的近似條件有兩個：一是模擬裝置推力曲線與引信實際發(fā)射時的受力曲線大致相似；二是使引信在模擬裝置和實際發(fā)射過程中受到的最大慣性力相等。

82 mm迫擊炮榴彈膛壓曲線如圖1所示。膛壓曲線與引信后坐力曲線趨勢一致，這里以膛壓曲線分析引信后坐力趨勢和特點。一般研究分析中，典型多級線圈炮的電磁推力曲線如圖2所示[13]。

圖1　82 mm迫擊炮榴彈膛壓曲線Fig.1　Chamber pressure curve of the 82 mm mortarhowitzer

圖2　多級線圈炮電磁推力曲線Fig.2　The electromagnetic curve of the multi-stagecoilgun

圖1所示膛壓曲線的特點是：引信在膛內受力時間約7 ms，膛壓上升段較陡，下降段則較緩。圖2中的電磁推力曲線由多次脈沖組成，并且單次受力時間只有1 ms，曲線上升下降都較快，顯然圖2中電磁推力曲線與圖1中曲線存在較大差別，不滿足引信后坐力模擬的要求。

2多級線圈炮模擬裝置結構組成

所設計的多級線圈炮模擬裝置模型如圖3所示，主要由儲能驅動線圈、電樞、電容器、同步觸發(fā)控制電路、開關及試驗彈等組成，發(fā)射時第一級首先饋電，然后其余各級驅動線圈依次饋電。圖3中只給出了一級線圈的電源和控制電路。在驅動線圈和電樞的設計上，主要的變化是增大電樞長度，縮小驅動線圈各級之間的距離，并且每一級的觸發(fā)位置的設定是以獲得連續(xù)受力為前提。

圖3　多級線圈炮模擬裝置結構示意圖Fig.3　Schematic diagram of the structure ofthe simulationdevice with the multi-stage coilgun

電樞和驅動線圈的幾何參數如表1所示。

表1　電樞和驅動線圈的幾何參數

所有驅動線圈結構一致，電樞與驅動線圈的長度比為2，驅動線圈為多匝銅質線圈，電樞為鋁質環(huán)狀結構。本文以2級線圈發(fā)射器為例，通過有限元仿真，分析獲得連續(xù)受力的條件及其影響因素。

3仿真及結果分析

3.1多級線圈炮模擬裝置仿真驗證

根據所設計的連續(xù)受力結構要求，建立2級線

圈炮有限元仿真模型。由于同步感應線圈發(fā)射器為軸對稱結構，因此可簡化為二維模型，既可以保證計算精度，又能夠降低計算量[14]。仿真模型如圖4所示。運動區(qū)域和求解區(qū)域的材料屬性分別設為空氣、真空。

仿真區(qū)域的網格剖分情況如圖5所示，為了保證仿真計算精度和仿真速度，將電樞、兩級驅動線圈及運動區(qū)域的網格劃分得比較密集，而求解區(qū)域的網格劃分相對比較稀疏。

驅動線圈與電樞作用的等效電路圖如圖6所示。電容器C充電電容為2 mF，充電電壓為1 kV。驅動線圈的電阻R1設為100 mΩ，電樞的環(huán)路電阻R2設為10 mΩ。為了消耗驅動線圈的感應電流，在仿真電路中加入續(xù)流二極管D，以避免驅動線圈給脈沖儲能電容器反向充電。第二級驅動線圈觸發(fā)距離設為10 mm，即驅動線圈在運動10 mm后，第二級驅動線圈觸發(fā)。

仿真的起始時間為0 ms，終止時間為3 ms，仿真時間步長為0.01 ms。電樞受力隨時間的變化如圖7所示。

1-第一級驅動線圈；2-第二級驅動線圈；3-電樞；4-運動域；5-求解區(qū)域圖4　仿真模型Fig.4　The simulation model

圖5　仿真區(qū)域的網格剖分Fig.5　The grid subdivisionof the simulation area

圖6　驅動線圈與電樞作用的等效電路圖Fig.6　The equivalent circuit diagtramof the interaction between the drivecoil and the armature

圖7　電樞受力曲線Fig.7　The force curve of Armature

從圖7中可以看出，兩級電磁線圈作用到電樞上的力基本為單脈沖連續(xù)狀態(tài),最大受力為4 kN，受力曲線上升與下降過程基本對稱。仿真結果表明，所設計的結構達到了要求，實現了兩級線圈作用力的連續(xù)，克服了受力的多脈沖特點。如圖7所示的受力曲線雖然在峰值附近有波動，但是受力時間增加，是引信后坐力模擬需要解決的問題之一，值得深入研究，下文主要對電樞受力曲線的影響因素進行研究。

3.2多級線圈炮模擬裝置影響因素分析

對以下影響因素的分析都是以上一節(jié)中仿真模型為基礎，以單變量研究方法進行分析。包括第二級觸發(fā)距離、電樞與驅動線圈的長度比、驅動線圈級間距對受力連續(xù)性和持續(xù)時間的影響。

3.2.1第二級觸發(fā)距離的影響

對于圖4所示仿真模型，分析第二級線圈觸發(fā)距離對受力的影響。觸發(fā)距離是指前一級線圈觸發(fā)到后一級線圈觸發(fā)的時間段內電樞運動的距離，本文定義為S。在基本模型的基礎上，改變觸發(fā)距離S，數值如表2所示。

表2　觸發(fā)距離

不同觸發(fā)距離的受力曲線如圖8所示。從圖8中可以看出，隨著第二級觸發(fā)距離的增大，受力曲線產生突變的時刻延后，并且受力峰值減小。當S=2 mm 時，兩級線圈受力的連續(xù)性最優(yōu)，且受力峰值大幅增加，受力曲線尖銳。隨著S的增大，平滑連續(xù)性越差。當S=8 mm時，電樞受力在峰值附近較為平滑，持續(xù)時間較長，受力曲線相對扁平。在下面的研究中，將對這兩種情況進行分析。

不同觸發(fā)距離下的電樞速度曲線如圖9所示。

速度曲線反映了驅動系統(tǒng)對電樞的做工能力。從圖9中可以看出，隨著第二級觸發(fā)距離的增加，驅動線圈對電樞的做工能力越弱。綜上分析可知，觸發(fā)距離直接影響第二級的觸發(fā)時刻，主要表現在對兩級電磁力疊加點的影響上。對于受力連續(xù)性而言，觸發(fā)距離是影響受力能否連續(xù)的關鍵因素。

3.2.2驅動線圈與電樞長度比的影響

定義長度比R為電樞長度與驅動線圈長度的比值。分別以R=1.2、1.5和2對S=2 mm和S=8 mm的兩種情況進行仿真分析，結果分析如下。

S=2 mm時，不同長度比下，電樞受力隨時間的變化如圖10所示。從圖10中可以看出，隨著R值得增大，受力的上升段越陡，受力峰值越大，受力的連續(xù)性沒有被影響。三種情況下，峰值分別為5.44 kN、5.53 kN、5.63 kN。

通過與實際膛壓曲線的對比可知，對于以上三種情況，當長度比R=2時，最適合引信模擬的要求。不同長度比下，電樞速度隨時間的變化如圖11所示。從圖11中可以看出，長度比越大，速度有小幅增加。

S=8 mm時，電樞受力和速度隨時間的變化如圖12和圖13所示。從圖12可知，長度比對受力持續(xù)時間幾乎沒有影響，峰值附近變化較小。但是隨著長度比的增大，受力峰值有小幅增大，分別為4.16 kN、4.24 kN、4.31 kN。由圖13可知，在S=8 mm的情況下，長度比同樣對速度的影響很小。

圖8　不同觸發(fā)距離的受力曲線Fig.8　The force curve of differenttriggering distance

圖9　不同觸發(fā)距離下的速度曲線Fig.9　Thespeed curve ofdifferent triggering distance

圖10　S=2 mm下不同長度比的受力曲線Fig.10　The force curves ofdifferent length ratio when s=2 mm

圖11　S=2 mm下不同長度比的速度曲線Fig.11　The speed curve of differentlength ratio when S=2 mm

圖12　 S=8 mm下不同長度比的受力曲線Fig.12　The force curves ofdifferent length ratio when S=8 mm

圖13　S=8 mm下不同長度比的速度曲線Fig.13　The speed curve of differentlength ratio when S=8 mm

綜合上面的分析可知，長度比對受力連續(xù)性沒有影響，對速度的影響也很小。在S=2 mm的情況下，長度比對上升沿有一定影響，對下降段的影響不明顯；在S=8 mm的情況下，對受力峰值大小有一定影響。

3.2.3驅動線圈級間距的影響

驅動線圈級間距是指相鄰兩級線圈之間的距離，本文中定義L為級間距。同樣，對S=2 mm和S=8 mm兩種情況，以下表所示的L值進行仿真分析。

表3　驅動線圈級間距數值

S=2 mm時，不同級間距下，電樞受力曲線和速度曲線如圖14和圖15所示。由圖14可知，隨著L的增大，電樞受力曲線峰值出現時間靠后，但是峰值大小基本沒有變化。全部受力曲線都呈現連續(xù)上升的趨勢，隨著L的增加，在第二級觸發(fā)后，受力曲線的上升速度減緩，當L=20 mm時，出現持續(xù)時間約0.5 ms的平穩(wěn)受力段。對于引信的模擬來說，受力連續(xù)上升的情況適合，即L=2 mm、4 mm、6 mm的三種情況適合引信后坐力模擬。由圖15可以看出，L增大，加速能力越好。

圖14　S=2 mm下不同級間距的受力曲線Fig.14　The force curves of differentlevel spacing when S=2 mm

圖15　S=2 mm下不同級間距的速度曲線Fig.15　The speed curve of differentlevel spacing when S=2 mm

S=10 mm時，不同級間距下，電樞受力曲線和速度曲線如圖16和圖17所示。由圖16可知，當L為2、4、6、8、10 mm時，峰值附近保持時間稍有增大；L=14 mm和20 mm時， 受力峰值附近曲線上下波動較大。對于引信模擬來講，前五種情況提高了受力峰值段的時間，更有利于引信膛內受力的模擬。由圖17可知，隨著L的增大，電樞速度提高，其表現和原因與情況S=2 mm相同，這里不作過多解釋。綜上，級間距的作用主要體現在對峰值段受力持續(xù)時間的影響上。在通過觸發(fā)距離實現受力連續(xù)的前提下，調節(jié)級間距可以對受力峰值段作優(yōu)化調整。

圖16　S=8 mm下不同級間距的受力曲線Fig.16　The force curves ofdifferent level spacing when S=8 mm

圖17　S=8 mm下不同級間距的速度曲線Fig.17　The speed curve of different level spacingwhen S=8 mm

4結論

本文提出了兩級線圈炮模擬引信后坐力方法。該方法通過對傳統(tǒng)兩級線圈炮結構的改進，改變兩級線圈受力呈多脈沖的特點，使其適應引信后坐力模擬的要求。仿真驗證和結果分析表明，針對不同的引信及其模擬要求，可以通過調整線圈炮參數改變試驗彈受力曲線，實現設備的多種模擬需求。擬針對具體引信型號，根據要求對兩級線圈炮的參數設計和試驗作進一步研究。

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摘要:針對單級線圈炮模擬引信后坐力受力時間不足，以及傳統(tǒng)多級線圈炮電磁推力呈多脈沖狀的問題，提出了兩級線圈炮發(fā)射結構模擬引信后坐力的方法。該方法在電磁驅動部分通過增大電樞長度，縮小驅動線圈各級之間的距離，從而改變兩級驅動線圈電磁力脈沖特點，使其適應引信后坐力模擬的要求。仿真驗證和結果分析表明，該結構能夠滿足引信模擬的要求。針對不同的引信可以通過調整線圈炮參數改變試驗彈受力曲線，實現設備的多種模擬需求。

關鍵詞:電磁驅動；引信；后坐力模擬；連續(xù)受力；仿真

Two-stage Coilgun for Fuze Recoil SimulationZHAN Chao1, 2, LEI Bin1, XIANG Hongjun1

(1. Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China；2. Xi’an Military

Representative Bureau of the General Equipment, Xi’an 710032, China)

Abstract:In order to overcome the problem of insufficient duration of the force which based on single-stage induction coil gun to simulate the recoil force of the fuze and electromagnetic curve, which is of multi pulse shape that produced from traditional multi-stage coilgun, a new method based on two-stage electromagnetic inductive coil gun to simulate the recoil of fuze was proposed. The method through increasing the length of the armature and narrowing the distance between the drive coil in the electromagnetic drive part, to change pulse characteristics of electromagnetic force, made it adapt to the requirement of fuze simulation recoil. Simulation results and analysis showed that this structure could satisfy the requirements of the fuze simulation. According to different fuze, force curve could be changed by adjusting the parameters of two-stage coilgun, to achieve a variety of simulation requirements of the device.

Key words:electromagnetic launcher; fuze; simulation of recoil; continuous force; simulation

中圖分類號:TJ430.6；TM89

文獻標志碼:A

文章編號：1008-1194(2015)06-0012-05

作者簡介:詹超(1991—),男，湖南桃江人，碩士研究生，研究方向：電磁發(fā)射與引信動態(tài)模擬試驗技術。E-mail:zhanchao330@qq.com。

*收稿日期:2015-05-25